Дослідження процесу нанесення детонаційно-газових покрить деталей авіаційної техніки з урахуванням величини та розподілу залишкових напружень у системі покриття-підкладка - Автореферат
Дослідження механізму формування залишкових напружень у системі покриття-підкладка при напилюванні тугоплавких матеріалів. Експериментальні дослідження величини та розподілу залишкових напружень у покриттях, отриманих на різних режимах напилювання.
Аннотация к работе
Незважаючи на унікальні характеристики отриманих покрить, серйозною перешкодою на шляху широкого впровадження технології детонаційного напилювання є практично повна відсутність методик, що дозволяють апріорно прогнозувати фізико-механічні властивості покрить. Рішення даної задачі дозволить розглянути питання оптимізації параметрів напилювання покрить з метою поліпшення експлуатаційних властивостей та виробів, що серійно випускаються. розробити математичну модель, що дозволяє оцінити величину та розподіл залишкових напружень у системі покриття-підкладка; Для проведення досліджень використовувалися нові методи вимірів швидкості та температури часток з розробкою спеціальних приладів контролю. покриття підкладка напилювання напруження Розроблена методика визначення величини та розподілу залишкових напружень дозволяє оптимізувати режими напилювання з погляду вимог, пропонованих до величини та знака напружень у поверхневому шарі виробу, скоротити витрати та час переходу на новий обєкт виробництва.Для визначення швидкості часток була застосована методика, відповідно до якої швидкість часток при напилюванні покрить визначалася за допомогою спеціального приладу, що використовує фоторезистори як чуттєві елементи. Принцип дії приладу заснований на реєстрації інтервалу між імпульсами, що одержуються від двох, розташованих послідовно чуттєвих елементів. Температура плями визначалася безпосередньо в процесі нанесення покрить за допомогою оптичного пристрою, що використовує фоторезистор марки СФ3-1 як чуттєвий елемент. Пристрій працює за принципом яркістного пірометра. Величина та розподіл залишкових напружень у поверхневому шарі зразків з покриттями визначалася на приладі ПІОН-2 з виконанням перевірки значень на рентгенівському дифрактометрі загального призначення (ДРОН-3.0).Розроблена та апробована технологія нанесення комбінованого покриття на перо лопатки компресора, що дозволила підвищити ерозійну стійкість виробу на 60%. Вхідна крайка пера захищається покриттям зі сплаву ВК-25 товщиною 0,25 мм, нанесеним детонаційно-газовим методом, корито та спинка захищаються покриттям з TIN, отриманим шляхом осадження у вакуумі з плазменої фази. Крім того, у розділі представлені дані по модернізації системи охолодження установки для детонаційного нанесення покрить, що дозволила на 10% скоротити площу виробничих приміщень, які забезпечують функціонування комплексу, виключити з конструкції комплексу бак для охолоджуючої рідини ємністю 2500 літрів, зменшити обсяг допоміжних робіт, прискорити на 70-75% вихід установки на робочі режими при напилюванні. Комплекс включає прилад для виміру швидкості частинок, прилад для контролю температури та цифровий двухканальный запамятовуючий осцилограф типу Gould 4041.Серед захисних покрить, які використовуються у даний час у країнах СНД для захисту пера лопатки, можна виділити ВК-15, ВН-30, ВК-25 (детонаційно-газовий метод напилювання), нітрид титану (плазмовий метод нанесення), що підвищують ерозійну стійкість пера лопаток у 1,6...3 рази. Аналіз літературних джерел показав, що залишкові напруження в системі покриття-підкладка впливають на працездатність деталі з покриттям та визначення способів регулювання залишкових напружень можна розглядати як один з резервів підвищення ресурсу та надійності виробів. Уточнено математичну модель для визначення величини та розподілу залишкових напружень у системі покриття-підкладка з урахуванням внеску кінетичної енергії часток у процес формування покрить при детонаційно-газовому напилюванні. Уведено поняття критичної температури Ткр, що характеризується переходом від залишкових напружень, що стискають, до залишкових напружень, що розтягують. Експериментально виявлено звязок між енергетичними параметрами процесу напилювання (швидкістю та температурою часток порошку) та величиною і розподілом залишкових напружень у системі покриття-підкладка при нанесенні покрить з порошків ВК-25 і ВК-15 на підкладку ВТ-8 (діапазон температур: 1380...1710 К, діапазон швидкості: 460...550 м/с).
Вывод
1. Як показав проведений аналіз літератури, підвищення надійності та ресурсу газотурбінних двигунів, зниження трудомісткості їхнього виготовлення визначається рівнем технологічності виробництва та відновлення лопаток, що є самими масовими деталями двигуна (до 3...4 тис. шт.) та одними з найбільш навантажених. Серед методів захисту лопаток компресора одним з найбільш ефективних є нанесення спеціальних покрить. Серед захисних покрить, які використовуються у даний час у країнах СНД для захисту пера лопатки, можна виділити ВК-15, ВН-30, ВК-25 (детонаційно-газовий метод напилювання), нітрид титану (плазмовий метод нанесення), що підвищують ерозійну стійкість пера лопаток у 1,6...3 рази.
2. Аналіз літературних джерел показав, що залишкові напруження в системі покриття-підкладка впливають на працездатність деталі з покриттям та визначення способів регулювання залишкових напружень можна розглядати як один з резервів підвищення ресурсу та надійності виробів.
3. Уточнено математичну модель для визначення величини та розподілу залишкових напружень у системі покриття-підкладка з урахуванням внеску кінетичної енергії часток у процес формування покрить при детонаційно-газовому напилюванні. Уведено поняття критичної температури Ткр, що характеризується переходом від залишкових напружень, що стискають, до залишкових напружень, що розтягують. При напилюванні покриття з порошку ВК-25 (товщина 0,100 мм, діаметр часток 20-40 мкм) на підкладку з титанового сплаву ВТ8 (на режимі: відстань напилювання - 170 мм, скорострільність - 3 Гц, співвідношення ацетилен/кисень - 0.67, витрата ацетилену - 0,31 л/цикл (швидкість часток - 510 м/с)) величина критичної температури поверхневого шару складає 1914 К. Уведено характеристичний критерій МТ=Т/Ткр (Т - температура шару, що розглядається, Ткр - критична температура), що визначає ступінь впливу температурного поля на процес формування залишкових розтягуючих напружень у системі покриття-підкладка. Для забезпечення формування стискаючих залишкових напружень величина МТ повинна бути менше 1 (рекомендується МТ<0,95). Розроблено методику розрахунку величини та розподілу залишкових напружень у системі покриття-підкладка при напилюванні поверхонь складної конфігурації. Це особливо актуально для виробів авіаційної промисловості, оскільки вони мають складну конфігурацію поверхонь.
4. Експериментально виявлено звязок між енергетичними параметрами процесу напилювання (швидкістю та температурою часток порошку) та величиною і розподілом залишкових напружень у системі покриття-підкладка при нанесенні покрить з порошків ВК-25 і ВК-15 на підкладку ВТ-8 (діапазон температур: 1380...1710 К, діапазон швидкості: 460...550 м/с).
5. На підставі проведених досліджень та результатів, отриманих розрахунковим шляхом з використанням математичної моделі, розроблені рекомендації з вибору оптимальних режимів з погляду величини та розподілу залишкових напружень при напилюванні компресорних лопаток з титанового сплаву ВТ-8 порошком із твердого сплаву ВК-25. Дослідження втомленої міцності компресорних лопаток першої ступені ТВД із покриттям з порошку ВК-25 на підтвердження (база випробувань - 108 циклів) виявили вплив величини та розподілу залишкових напружень на втомлену міцність виробів.
6. Модернізовано систему охолодження установки для детонаційного нанесення покрить, що дозволило значно підвищити компактність комплексу (площу приміщень скорочено на 10%, з конструкції виключено резервуар з охолоджуючій рідиною), прискорити на 70-75% вихід установки на робочі режими, усунути ефект конденсації вологи на внутрішній стінці стовбура. Розроблено єдиний вимірювальний комплекс, що надає можливість оперативного контролю процесу напилювання за параметрами “швидкість часток” та “температура часток”.
7. Проведено оцінку економічної ефективності впровадження методики розрахунку величини та розподілу залишкових напружень, на основі якої дано рекомендації щодо призначення раціональних режимів напилювання, що дозволяє виключити проведення тривалих та дорогих експериментів. Це забезпечує для одного типу покриття для однієї деталі економію робочого часу 61 годину, та коштів - 5475,6 грн. Сумарний економічний ефект від упровадження результатів досліджень у виробництво складає понад 132 тис. грн. на рік.
Список литературы
1. Маркович С.Е. Улучшение свойств газотермических покрытий лазерной обработкой //Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Сборник научных трудов. Харьков: Нац. аерокосмический ун-т "Харьк. авиац. ин-т". Выпуск 23(6). 2000. с. 137-144.
2. Долматов А.И., Маркович С.Е., Жеманюк П.Д., Матюхин В.А. Исследование методов повышения эрозионной стойкости рабочих лопаток компрессора газотурбинного двигателя нанесением защитных покрытий // Авіаційно-космічна техніка і технологія: Зб. наук. праць. Харків: Нац. аерокосмічний ун-т “Харк. авіац. ін-т”. 2003. Вип.38/3. с. 53-57.
3. Багмет М.Н., Маркович С.Е. Экспериментальное изучение влияния предварительных пластических деформаций на сопротивление усталости //Труды Международной научно-технической конференции “Инженерия поверхности и реновация изделий”, 29-31 мая 2001 г., г. Феодосия. Киев: АТМ Украины, 2001. с. 17-19.
4. Долматов А.И., Маркович С.Е. Методика расчета остаточных напряжений в детонационных покрытиях из тугоплавких материалов // Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”. Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Технології в машинобудуванні. Харків: НТУ”ХПІ”. 2004. №44. С. 37-43.
5. Долматов А.И., Куралех С.Ю., Маркович С.Е. Анализ механизма формирования остаточних напряжений в детонационных покрытиях // Міжнародна науково-технічна конференція “Інтегровані компютерні технології в машинобудуванні ІКТМ-2004”: Тези доповідей. Харків: Нац. аерокосмічний ун-т "Харк. авіац. ін-т", 2004. С. 92.
6. Долматов А.И., Маркович С.Е., Мовшович А.Я. Расчет значений и распределения остаточных напряжений в поверхностных слоях изделий с детонационно-газовыми покрытиями // Упрочняющие технологии и покрытия. 2005. №3. с. 40-45.
7. Войтенко В.С., Маркович С.Е., Ткаченко В.В., Яковлев В.Г. Влияние режимов упрочнения и отжига на прочность титановых сплавов // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов. Сб. науч. трудов Нац. аэрокосмич. ун-та им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”.- Харьков: Нац. аерокосмический ун-т "Харьк. авиац. ин-т". 2000.- Вып. 23(6). с. 82-91.
8. Долматов А.И., Маркович С.Е. Влияние способов упрочнения поверхности на износостойкость деталей, работающих при ударных нагрузках // Сучасні процеси механічної обробки інструментами з НТМ та якість поверхні деталей машин: Зб. наук. праць (серія Г “Процеси механічної обробки, верстати та інструменти”) / НАН України. ІНМ ім В.М. Бакуля.- Київ, 2003. с. 272-279.
9. Маркович С.Е., Попов В.В. Влияние текстуры поверхности на усталостные характеристики изделий из титановых сплавов.- Современные материалы, технологии, оборудование и инструмент в машино- и приборостроении: Материалы международной научно-технической конференции, 21-22 августа 2001г., г.Киев. Киев:АТМ Украины, 2001. с. 44-45.
10. Долматов А.И., Маркович С.Е. Возникновение текстурных неоднородностей на поверхности лопаток из титановых сплавов. - Инженерия поверхности и реновация изделий: Материалы международной научно-технической конференции, 28-30 мая, 2002г., г. Ялта. - Киев: АТМ Украины, 2002. с. 44-45.
У роботах, виконаних у співавторстві, автору належать: [2] - підготовка та напилювання зразків детонаційно-газовим методом, аналіз результатів іспитів ерозійної стійкості зразків з різними типами покрить;
[3] - підготовка та аналіз результатів досліджень втомленої міцності зразків зі сплаву ВТ-8 з різним ступенем попередньої пластичної деформації;
[4] - розробка моделі розрахунку залишкових напружень;
[5] - аналіз існуючих моделей розрахунку залишкових напружень;
[6] уточнення моделі розрахунку залишкових напружень, підготовка та проведення експериментів;
[7] - підготовка зразків для дослідження текстури матеріалу, участь у розробці методики дослідження структури зразків з матеріалу ВТ3-1;
[8] - аналіз результатів дослідження зносостійкості, визначення зміни товщини зміцненого шару та глибини розвитку тріщин;
[9] - аналіз впливу стабілізуючих елементів на фазову сполуку сплавів та обробка результатів іспитів втомленої міцності зразків;
[10] - підготовка та проведення іспитів втомленої міцності компресорних лопаток газотурбінного двигуна зі сплаву ВТ8;
[11] розробка системи охолодження стовбура установки.